红外吸收光谱法测量六氟化铀浓度的装置设计

摘 要:UF6是核燃料加工产业中的重要原料,由于其放射性和化学毒性,UF6一旦泄漏将对人身安全造成巨大威胁。目前国内对UF6泄漏事故的研究甚少,该文提出了一种基于吸收光谱法的装置设计方案,用于探测UF6泄漏时空气中UF6的浓度。该装置可在UF6泄漏事故中实时监测UF6浓
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摘 要:UF6是核燃料加工产业中的重要原料,由于其放射性和化学毒性,UF6一旦泄漏将对人身安全造成巨大威胁。目前国内对UF6泄漏事故的研究甚少,该文提出了一种基于吸收光谱法的装置设计方案,用于探测UF6泄漏时空气中UF6的浓度。该装置可在UF6泄漏事故中实时监测UF6浓度,为制定应急响应和现场救援提供辅助决策。
  关键词:红外吸收光谱法 测量六氟化轴浓度 装置设计原理
  中图分类号:O43 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)04(b)-0009-03
  中国的能源结构正向清洁低碳化发展,在这场能源结构调整中,核电始终被寄予厚望。随着我国核电规模的日益扩大,人们对核能利用的关注度也越来越高,安全、绿色成为新形势下核能发展的重要方向[1]。核能的利用离不开核燃料的加工,UF6是核燃料加工产业中极为重要的工作介质,铀纯化转化、铀浓缩、元件加工环节都有它的身影[2]。UF6具有放射性与化学毒性,对人的肾脏和肺部具有致命性损伤。同时,UF6极易水解,可以与空气中的水蒸气迅速反应生成UO2F2和HF,HF具有强酸性,对皮肤有强烈刺激和腐蚀作用[3]。因此,预防UF6的泄漏,并在泄漏事故发生后实时监测UF6浓度,制定高效的应急响应和救援计划[4],最大限度地减少事故对人身安全伤害,是核燃料加工行业安全工作的重要环节。基于以上分析,该文采用红外吸收光谱法,研发了一种事故应急时用于测量空气中UF6泄漏浓度的装置。
  1 装置设计原理
  红外吸收光谱法是根据测量分子对特征吸收谱线的吸收,进行定性定量的一种分析方法[5],它可测量气体、溶液中某一组分的浓度,具有灵敏度高、分析精度高等优点。UF6在红外光谱区具有明显的特征峰,因此,可以根据吸收峰的强度确定UF6的相对浓度。同时,根据李庭华等人的实验结果[6],UF6在常温条件下对16 μm的红外光的吸收是非常灵敏的,因此,红外吸收光谱法可以作为对UF6泄漏浓度进行有效鉴别和实时监测的技术手段。
  2 吸收光谱法探测装置的设计
  基于红外吸收光谱法的UF6气体浓度探测装置由激光器、分光镜、光电接收器和查分放大器组成,装置设计方案如图2所示。
  探测激光选用可调谐半导体激光器,激光频率可在16 μm附近做无跳模扫描,探测激光频率扫描周期,范围可由信号发生器输出的三角波控制。激光经分光镜作用可沿3个路径运动。光路1的激光经过UF6气体标准样品池,在光电接收器1处得到吸收峰。此吸收峰用于标定UF6特征吸收峰在吸收光谱中的位置。光路2密封在整个仪器中,不与空气接触,最终进入光电接收器2,作用是测定激光功率随激光波长的变化规律,作为差分放大器的基础输入信号。光路3直接暴露在空气中,用于空气中存在六氟化铀时,光电接收器3处能够获得UF6特征吸收谱线。
  2.1 标准样品池的设计
  通常可以采用两种方法判断激光波长是否处于UF6的特征吸收峰附近,一种是波长计测量法;另一种是标准样品池法。第一种方法需要激光在UF6特征吸收峰附近做频率扫描,然后对激光波长进行测量,来确定此波长就是UF6特征吸收峰光谱。满足这种要求的波长计价格昂贵且体积较大,将极大地增加装置的设计成品。因此,该文采用标准样品池法,将常温下密闭容器中的低气压UF6标准样品代替波长计,用以标定UF6的特征吸收峰。这样,只要在光路1中出现UF6吸收峰,就可以确定激光的频率是满足要求的,并确定UF6特征吸收峰在吸收光谱中的位置。这样的设计可以尽可能地减小装置的体积和设计成本。
  2.2 差分放大器测量吸收光谱
  装置设计的体积越小,操作起来更方便,因此,如图2所示的装置设计方案中,光路3在空气中暴露的长度以及光路3的吸收长度越短越好。在这种情况下,当空气中的UF6浓度很低时,对光路3中激光的吸收比例是非常低的,这种低吸收比例的情况称为弱吸收。
  3 结语
  UF6是铀浓缩和铀转化过程中的重要原料,其放射性和化学毒性对人身有巨大伤害。该文基于红外吸收光谱法,设计了测定六氟化铀西楼浓度的装置,装置采用标准样品池标定UF6的特征吸收谱,差分放大方法测量吸收光谱,获得UF6的泄漏浓度。装置设计合理、成本较低,具有很强的可行性和实用价值,可以在UF6泄漏事故中为应急响应提供辅助决策。装置设计还需要在实验中加以验证和改进。
  参考文献
  [1] 环境保护部(国家核安全局).核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标[M].北京:科学出版社,2013.
  [2] Nair S K,Chambers D B,Park S H, etal. Review of models used fordetermining consequences of UF6 release: development of model evaluation criteria(NUREGKR-6481)[R].Washington, DC (United States):Nuclear Regulatory Commission,1997.
  [3] 周济人.国外六氟化铀泄漏事故调研分析[J].辐射防护通讯,1992(5):23-29.
  [4] 陈海龙.UF6泄漏事故后果评价研究进展[J].辐射防护通讯,2013,33(3):16-20.
  [5] 允魁.红外吸收光谱法及其应用[M].上海:上海交通大学出版社,1993.
  [6] 李庭华,侯惠奇,刘秀.六氟化铀的红外吸收光谱[J].原子能科学技术,1983(5):588-591.
  [7] 罗达峰,杨建华,仲崇贵.基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术[J].光谱学与光谱分析,2011,31(2):384-386.
  [8] 宋增云,瞿定荣,范凤英.一种测量弱吸收条件下锂同位素比率的新方法[J].原子能科学技术,2014,48(1):823-827.
出处:科技创新导报作者:瞿定荣 李媛媛 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/20160828/6309681.html   

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